[論文レビュー] Double-Spending Risk Quantification in Private, Consortium and Public Ethereum Blockchains

Parinya Ekparinya, Vincent Gramoli+1 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、Ethereumにおけるネットワーク分離（BGPハッキングまたはARPスプーフィングを用いて）とバランス攻撃を組み合わせた、二重支出攻撃の最初のエンドツーエンド実証評価を提示している。この攻撃は、共同管理型およびプライベートブロックチェーンにおいては非常に現実的で、財務的に壊滅的な影響を及ぼすことが示された。10時間の間に最大200,000倍の資産増加が可能である一方、パブリックEthereumではネットワークトポロジーとマイニング分布のおかげでほぼ不可能である。

ABSTRACT

Recently, several works conjectured the vulnerabilities of mainstream blockchains under several network attacks. All these attacks translate into showing that the assumptions of these blockchains can be violated in theory or under simulation at best. Unfortunately, previous results typically omit both the nature of the network under which the blockchain code runs and whether blockchains are private, consortium or public. In this paper, we study the public Ethereum blockchain as well as a consortium and private blockchains and quantify the feasibility of man-in-the-middle and double spending attacks against them. To this end, we list important properties of the Ethereum public blockchain topology, we deploy VMs with constrained CPU quantum to mimic the top-10 mining pools of Ethereum and we develop full-fledged attacks, that first partition the network through BGP hijacking or ARP spoofing before issuing a Balance Attack to steal coins. Our results demonstrate that attacking Ethereum is remarkably devastating in a consortium or private context as the adversary can multiply her digital assets by 200, 000x in 10 hours through BGP hijacking whereas it would be almost impossible in a public context.

研究の動機と目的

• 現実のネットワーク環境下でのEthereumにおける二重支出攻撃の実現可能性を定量化すること。
• BGPハッキングまたはARPスプーフィングによるネットワーク分離が、異なるブロックチェーン展開モデルにおいてどのように二重支出を可能にするかを調査すること。
• パブリック、共同管理型、プライベートEthereumブロックチェーン間で攻撃成功確率と財務的利益を比較すること。
• マイニングパワー分布とネットワークトポロジーが攻撃耐性に与える影響を評価すること。
• 実証的発見に基づいて、中間者攻撃および二重支出脅威を緩和するための対策を提言すること。

提案手法

• Linux cgroupsによるCPUクォータ制限を用いて、トップ10マイニングプールをエミュレートするVMを用いたOpenStackベースのスニペット化されたEthereumテストネットの構築。
• 共同管理型環境ではBGPハッキングを、プライベートネットワークではARPスプーフィングを用いてネットワーク分離をシミュレート。
• ネットワーク分離後に完全なバランス攻撃を実行し、取引の承認遅延を悪用。
• 制御されたネットワーク条件下で、時間経過に伴う二重支出成功確率と資産増加を測定。
• 実際のEthereumマイニングプールおよび接続性データを用いて、現実的なネットワークおよびマイニングパワー分布をモデル化。
• さまざまな承認遅延しきい値および攻撃者側のマイニングパワー水準における攻撃成功状況を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共同管理型Ethereum展開において、BGPハッキングを組み合わせた二重支出攻撃はどの程度現実的か？
• RQ2 プライベートEthereumネットワークにおいて、ARPスプーフィングを用いた二重支出攻撃の成功確率と財務的利益は何か？
• RQ3 パブリックEthereumブロックチェーンのトポロジーとマイニングパワー分布は、ネットワークベースの二重支出攻撃の実現可能性にどのように影響するか？
• RQ4 ネットワーク遅延と分離状態は、Ethereumにおける承認タイミングの悪用を攻撃者にどの程度可能にするか？
• RQ5 これらの攻撃が、異なるブロックチェーン展開モデル（パブリック対プライベート対共同管理型）に与える実用的影響は何か？

主な発見

• 共同管理型Ethereum展開では、BGPハッキングにより二重支出成功確率が最大80％に達した。
• プライベートEthereum環境では、ARPスプーフィングにより二重支出成功確率が最大80％に達した。
• 攻撃を10時間にわたり連続で繰り返すことで、プライベートまたは共同管理型環境で200,000倍のデジタル資産増加が可能であった。
• 対照的に、同じ攻撃はパブリックEthereumブロックチェーンでは、その分散化されたネットワークトポロジーとマイニングパワー分布のおかげでほぼ不可能であった。
• 攻撃の成功は、ブロックチェーンの展開モデルに強く依存しており、プライベートおよび共同管理型チェーンは著しく脆弱であることが判明した。
• 結果から、ネットワークベースの攻撃は単なる理論的脅威ではなく、非パブリックなEthereum展開においては巨額の財務的利益をもたらす可能性があることが確認された。